复合板簧选材及力学性能教材.docx

复合材料板簧选材、结构设计与力学性能分析报告 一·复合材料板簧选材 1.1概述 复合材料是指由两种或者两种以上的不同形态或者不同性质的材料按照一定的复合工艺组合形成的一种结构物。复合材料既具备原材料的特点又有原材料没有的性能,所以不能把复合材料看做组分材料的简单相加[1]。 复合材料中的连续相叫做基体,而分散相叫做增强材料。增强材料以独立的形态分布于基体当中。基体的主要作用是承载增强材料,防止增强材料遭受腐烛和物理损伤。增强材料除了提高复合材料基体的力学性能外,还能提高热变形温度,使复合材料在磁、电、热方面具有新功能[2]。 1.2原材料的选择原则 ①在满足结构使用性能要求的条件下，要尽可能地降低成本； ②材料的力学性能要满足结构的强度、刚度和稳定性要求； ③材料的耐环境性能可使结构在使用环境条件下正常工作，并满足结构的寿命要求； ④所选材料体系适合于拟采用的成型工艺，且在预浸料制备、固话成型、机械加工装配和修补等方面具有良好的工艺性； ⑤对所选材料体系有深入了解，尽可能地选用已定型的、批量生产的、质量稳定的原材料； ⑥货源充足，容易运输、储存，安全性好； ⑦材料应满足结构的特殊性能要求，如雷达罩要求有透波性，客机的内装饰件要求阻燃性等。 1.3基体材料的选择 选择原则 ①应满足结构的使用温度范围要求。 ②应满足基体的力学性能要求 ③树脂的物理、化学性能应满足于结构的使用要求 ④满足工艺性要求 ⑤低毒性、低刺激性，价格合理 考虑到汽车板簧的工作特点，复合材料板簧的基体材料应具有长期在静载和动载下的承载能力 （耐蠕变和抗疲劳性）、吸收冲击性能（韧性）及一定的耐热性。此外，复合材料板簧中的增强材料的设计为长度方向的纵向分布，其厚度与宽度方向的层间剪切强度仅依靠基体材料来提供，因此基体材料层间剪切强度的控制也尤为重要。 目前，制造复合材料板弹簧的树脂基体主要有环氧树脂及聚氨酯这两类。 环氧树脂是分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类高分子化合物，实际上是含有不同聚合度分子的混合???，其性能除了与合成条件有关外，主要取决于分子结构。环氧树脂具有良好的机械性能与层间剪切强度、较低的固化收缩率及优良的工艺性能，且市场供应充足，成本较低，是比较理想的基体材料。环氧树脂最大的弱点是韧性较差，固化后的环氧树脂性脆，耐冲击性较差，容易开裂。因此需要对其进行改性，以达到增韧的目的。经过调研，已有企业利用增韧改性环氧树脂生产出了合格的复合材料板簧样件。但是，由于企业能力及环氧树脂本身特性所限，复合材料板簧样件的生产仍然使用模压成型工艺，成型周期较长、效率低，而且复合材料板簧样件的性能不稳定，不利于复合材料板簧的产业化。 汉高公司生产的乐泰MAX2是一种聚氨酯基复合材料基体树脂，虽然价格稍高于环氧树脂，但其固化速度快于环氧树脂。由于粘度较低，浸润性也优于环氧树脂，可以更高效、更温和地渗透并浸渍纤维材料，所以注塑时间更短，有利于复合材料板簧的大批量生产。 在反应放热特征方面，乐泰MAX2的放热量为268J/g，环氧树脂的放热量为430J/g，这意味着在反应过程及固化过程中乐泰MAX2的放热量更小，降低了局部过热以及由此导致的收缩等风险。对于板簧这样较厚的层合板结构，可明显减小内应力的残留，对复合材料 板簧的疲劳寿命有利。 在机械性能方面，乐泰MAX2与环氧树脂的对比如表1所示： 表1乐泰MAX2与环氧树脂机械性能的对比 牌号乐泰MAX2环氧树脂拉伸模量/MPa28003100~3400拉伸强度/MPa80 70~100弹性伸长率/%5~10 3~6Tg玻璃态转变温度/℃105~120110~140临界应力强度因子K1c（MPa/m2）1.2 0.5~0.9 从表1可知，乐泰MAX2的机械性能与环氧树脂接近，但聚氨酯本身网络结构所决定的韧性及抗冲击性能明显优于环氧树脂，因此，当破坏发生时，聚氨酯内部裂纹的扩展速率远低于环氧树脂，对复合材料板簧的疲劳寿命有利。 在耐化特性方面，乐泰MAX2的耐化性能与环氧树脂相当。 此外，聚氨酯树脂能够与玻璃纤维形成优异的界面粘接，对标准纤维浸润剂有出色的适用性。 综上所述，乐泰MAX2的综合性能优于环氧树脂，且更有利于保证复合材料板簧的性能及产业化前景。因此，选用乐泰MAX2作为复合材料板簧的基体材料。 1.4基体材料的力学性能 表2乐泰MAX2（纯树脂基体）的力学性能 参数参数值密度/g.cm-31.04~1.20拉伸模量/GPa2.8拉伸强度/MPa80断裂伸长率/%9弯曲模量/GPa2.7弯曲强度/MPa115玻璃态转变温度Tg/℃